正交振幅調制與解調仿真分析

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上正交振幅調制與解調仿真分析摘 要：MATLAB由于其強大的功能而被廣泛應用于很多工程技術領域，尤其在通信和信息處理領域更有其突出地位。眾所周知，在物理級的產品作出之前，先用MATLAB進行這種電子產品的輸入輸出以估計這種產品的性能好壞，從而可以看出什么地方需要從新設計，什么地方需要優(yōu)化等來進一步提高系統(tǒng)的性能，因此，伴隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)與日俱增的復雜性，這種通信系統(tǒng)的仿真分析也變得尤其重要。本文介紹了利用MATLAB進行正交振幅調制與解調的仿真分析，仿真結果驗證了該方法的正確性和可行性。關鍵詞：調制與解調；QAM；Simulink；MATLAB1引 言本課程設計主要是學

2、會運用MATLAB中的Simulink來實現(xiàn)數(shù)字基帶信號的模擬傳輸。在知道其傳輸原理的情況下，將仿真電路到Simulink之中。并且對正交振幅調制、解調過程的頻譜和波形的分析，同時在無噪聲和有噪聲的進行分析，加入高斯白噪聲，瑞利噪聲，萊斯噪聲分析調制解調后的頻譜、波形，觀察其誤碼率。1.1 課程設計的目的首先了解和掌握MATLAB中Simulink平臺的使用；其次了解正交振幅基本電路的調制與解調的仿真，加入噪聲后觀察其頻譜和波形的變化，同時檢測其誤碼率1.2 課程設計的要求設計平臺為MATLAB7.0集成環(huán)境。在Simulink下構建調制解調仿真電路，用示波器觀察調制前后的信號波形，頻譜分析模

3、塊觀察調制前后信號頻譜的變化，誤碼測試儀測量誤碼率。在調制解調電路上加入噪聲源，模擬信號在不同信道中的傳輸：a 用萊斯噪聲模擬無直射分量的無線信道，b 用高斯白噪聲模擬有線信道，c 用瑞利噪聲模擬有直射分量的無線信道。將三種噪聲源的方差均設置為0.2，分別觀察此時的誤碼率與無噪聲時的誤碼率有何區(qū)別。獨立完成所有的設計。2 設計原理數(shù)字調制器作為DVB系統(tǒng)的前端設備，接收來自編碼器、復用器、DVB網關、視頻服務器等設備的TS流，進行RS編碼、卷積編碼和QAM數(shù)字調制，輸出的射頻信號可以直接在有線電視網上傳送，同時也可根據(jù)需要選擇中頻輸出。它以其靈活的配置和優(yōu)越的性能指標，廣泛的應用于數(shù)字有線電視

4、傳輸領域和數(shù)字MMDS系統(tǒng)。2.1 QAM調制技術在QAM（正交幅度調制）中，數(shù)據(jù)信號由相互正交的兩個載波的幅度變化表示。模擬信號的相位調制和數(shù)字信號的PSK（相移鍵控）可以被認為是幅度不變、僅有相位變化的特殊的正交幅度調制。因此，模擬信號頻率調制和數(shù)字信號的FSK（頻移鍵控）也可以被認為是QAM的特例，因為它們本質上就是相位調制。這里主要討論數(shù)字信號的QAM，雖然模擬信號QAM也有很多應用，例如NTSC和PAL制式的電視系統(tǒng)就利用正交的載波傳輸不同的顏色分量。有關PSK和FSK方面的知識在本系列叢書網絡工程師必讀網絡工程基礎一書中有詳細介紹，參見即可。QAM是一種矢量調制，將輸入比特先映射（

5、一般采用格雷碼）到一個復平面（星座）上，形成復數(shù)調制符號，然后將符號的I、Q分量（對應復平面的實部和虛部，也就是水平和垂直方向）采用幅度調制，分別對應調制在相互正交（時域正交）的兩個載波（cos wt和sin wt）上。這樣與幅度調制（AM）相比，其頻譜利用率將提高1倍。QAM是幅度、相位聯(lián)合調制的技術，它同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在最小距離相同的條件下可實現(xiàn)更高的頻帶利用率，目前QAM最高已達到1 024-QAM（1 024個樣點）。樣點數(shù)目越多，其傳輸效率越高，例如具有16個樣點的16-QAM信號，每個樣點表示一種矢量狀態(tài)，16-QAM有16態(tài)，每4位二進制數(shù)規(guī)定了16

6、態(tài)中的一態(tài)，16-QAM中規(guī)定了16種載波和相位的組合，16-QAM的每個符號和周期傳送4比特。QAM調制器的原理是發(fā)送數(shù)據(jù)在比特/符號編碼器（也就是串并轉換器）內被分成兩路，各為原來兩路信號的1/2，然后分別與一對正交調制分量相乘，求和后輸出。接收端完成相反過程，正交解調出兩個相反碼流，均衡器補償由信道引起的失真，判決器識別復數(shù)信號并映射回原來的二進制信號。如圖4-2所示的是16-QAM的調制原理圖。作為調制信號的輸入二進制數(shù)據(jù)流經過串并變換后變成四路并行數(shù)據(jù)流。這四路數(shù)據(jù)兩兩結合，分別進入兩個電平轉換器，轉換成兩路4電平數(shù)據(jù)。例如，00轉換成-3，01轉換成-1，10轉換成1，11轉換成3

7、。這兩路4電平數(shù)據(jù)g1（t）和g2（t）分別對載波cos2fct和sin2fct進行調制，然后相加，即可得到16-QAM信號。類似于其他數(shù)字調制方式，QAM發(fā)射的信號集可以用星座圖方便地表示，星座圖上每一個星座點對應發(fā)射信號集中的那一點。星座點經常采用水平和垂直方向等間距的正方網格配置，當然也有其他的配置方式。數(shù)字通信中數(shù)據(jù)常采用二進制數(shù)表示，這種情況下星座點的個數(shù)一般是2的冪。常見的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。星座點數(shù)越多，每個符號能傳輸?shù)男畔⒘烤驮酱?。但是，如果在星座圖的平均能量保持不變的情況下增加星座點，會使星座點之間的距離變小，進而導致誤碼率上升。因此高階

8、星座圖的可靠性比低階要差。 采用QAM調制技術，信道帶寬至少要等于碼元速率，為了定時恢復，還需要另外的帶寬，一般要增加15%左右。與其他調制技術相比，QAM編碼具有能充分利用帶寬、抗噪聲能力強等優(yōu)點。但QAM調制技術用于ADSL的主要問題是如何適應不同電話線路之間較大的性能差異。要取得較為理想的工作特性，QAM接收器需要一個和發(fā)送端具有相同的頻譜和相應特性的輸入信號用于解碼，QAM接收器利用自適應均衡器來補償傳輸過程中信號產生的失真，因此采用QAM的ADSL系統(tǒng)的復雜性來自于它的自適應均衡器。當對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求高過8-PSK能提供的上限時，一般采用QAM的調制方式。因為QAM的星座點比PS

9、K的星座點更分散，星座點之間的距離因此更大，所以能提供更好的傳輸性能。但是QAM星座點的幅度不是完全相同的，所以它的解調器需要能同時正確檢測相位和幅度，不像PSK解調只需要檢測相位，這增加了QAM解調器的復雜性。正交振幅調制是用兩路獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波雙邊帶調幅，利用這種已調信號的頻譜在同一帶寬內的正交性，實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息的傳輸。該調制方式通常有二進制QAM（4QAM）、四進制(16QAM)、八進制QAM(64QAM)、, 對應的空間信號矢量端點分布圖稱為星座圖，如圖2-1所示，分別有4、16、64、個矢量端點。由圖2-2可以看出，電平數(shù)m和信號狀態(tài)M之間的

10、關系。對于4QAM，當兩路信號幅度相等時，其產生、解調、性能及相位矢量均與4PSK相同。圖 2-1 4QAM、l6QAM、64QAM星座圖 圖2-2 l6QAM信號電平與信號狀態(tài)關系 正交振幅調制是用兩個獨立的基帶信號對兩個相互正交的同頻載波進行抑制載波的雙邊帶調制，利用這種已調信號在同一帶寬內頻譜正交的性質來實現(xiàn)兩路并行的數(shù)字信息傳輸。正交振幅調制信號的一般表示式: 式中，An是基帶信號幅度，g(t-nTs)是寬度為Ts的單個基帶信號波形。 上式還可以變換為正交表示形式: 令 Xn=An cosn Yn=Ansinn則QAM中的振幅Xn和Yn可以表示為： Xn=cnA Yn=dnA 式中，A

11、是固定振幅，cn、dn由輸入數(shù)據(jù)確定。cn、dn決定了已調QAM信號在信號空間中的坐標點。 QAM信號調制原理圖如圖 2-3 所示。圖中，輸入的二進制序列經過串/并變換器輸出速率減半的兩路并行序列， 再分別經過2電平到L電平的變換，形成L電平的基帶信號。 為了抑制已調信號的帶外輻射，該L電平的基帶信號還要經過預調制低通濾波器，形成X(t)和Y(t)，再分別對同相載波和正交載波相乘。 最后將兩路信號相加即可得到QAM信號。 圖2-3 QAM信號產生 QAM信號采取正交相干解調的方法解調，其數(shù)學模型如圖2-4所示。解調器首先對收到的QAM信號進行正交相干解調。低通濾波器LPF濾除乘法器產生的高頻分

12、量。LPF輸出經抽樣判決可恢復出m電平信號x(t)和y(t)。因為和取值一般為±1，±3，±（m-l），所以判決電平應設在信號電平間隔的中點，即0，±2，±4，±（m-2）。根據(jù)多進制碼元與二進制碼元之間的關系，經m/2轉換，可將電平信號m轉換為二進制基帶信號x(t)和y(t)。 圖2-4 QAM 信號解調3設計步驟3.1 正交振幅調制電路分析熟悉Simulink的工作環(huán)境，并建立正交振幅調制解調系統(tǒng)，用功率譜密度分析儀觀察其基帶頻譜，示波器觀察調制信號前后的波形。 調制仿真電路如圖3-1-1所示： 圖3-1 正交振幅調制解調仿真電路

13、圖圖3-2 基帶信號功率譜密度圖 圖3-3 基帶信號和解調信號的波形圖3-4基帶信號參數(shù)圖3-5正交振幅調制模塊參數(shù)圖3-6正交振幅解調模塊參數(shù)圖3-7功率譜密度模塊參數(shù)3.2無噪聲的QAM調制解調電路及誤碼率分析在原先的電路圖加入誤碼率分析儀觀察無噪聲時的誤碼率無噪聲時正交振幅調制解調仿真電路圖如圖3-8所示：圖3-8 正交振幅調制解調仿真電路圖圖3-9 Display 參數(shù)圖3-10 誤碼率計數(shù)器參數(shù)圖3-11無噪聲QAM解調誤碼率3.3有噪聲的QAM調制解調電路及誤碼率分析（1）在上面的電路圖調制之后的信號中通過加入高斯白噪聲，并同時觀察噪聲對頻譜的干擾和波形的影響。之后分析誤碼率，來確

14、定QAM對抗高斯白噪聲的性能。高斯白噪聲QAM調制解調仿真電路如圖3-12所示：圖3-12高斯白噪聲調制解調仿真電路圖圖3-13 高斯白噪聲QAM調制解調波形 圖3-14 高斯白噪聲發(fā)生器參數(shù)圖3-15 高斯白噪聲解調信號誤碼率（2）同上，將高斯白噪聲發(fā)生器更換成萊斯噪聲發(fā)生器，觀看相應的功率譜密度和波形，進行誤碼率分析。圖3-16萊斯噪聲QAM調制解調仿真電路圖圖3-17 萊斯噪聲解調誤碼率圖3-18萊斯噪聲發(fā)生器參數(shù)圖3-19 萊斯噪聲QAM調制解調波形（3）同上，將萊斯噪聲發(fā)生器更換成瑞利噪聲發(fā)生器，進行誤碼率分析。 加瑞利噪聲的QAM調制解調仿真電路圖如圖3-20所示：圖3-20 瑞利

15、噪聲QAM調制解調仿真方框圖圖3-21 瑞利噪聲QAM調制解調波形圖3-22 瑞利噪聲發(fā)生器參數(shù)圖3-23 瑞利噪聲QAM解調誤碼率4 結束語剛拿到課題，看了要求后，根本就不知道什么事Simulink，雖然我們經常在使用MATLAB，可還是沒接觸到它，其次是不知道什么是正交振幅，可課堂上只知道一些數(shù)字信號，比如2ASK,2FSK,2PSK等。兩周的時間，經過在查閱了許多相關的資料，且在老師精心教導下，讓我受益匪淺。在做本次設計中時，一開始我不是很會設計參數(shù)，只是把那些模塊加到電路圖里，然后就是很輕松的點了一下，開始仿真的按鈕；結果發(fā)現(xiàn)，怎么誤碼率怎么這么大？可是，我最初的時候不會改，所以就這樣敷衍過去了，但我知道，這樣做肯定是不對的。所以，在真理的驅使下，我來到了圖書館，在這個書籍的海洋里，我發(fā)現(xiàn)了“真理”。原來，參數(shù)設置是這么的簡單。就這樣，我慢慢的理解了該怎樣做了。首先，通過這一次的課程設計，明白了課程設計不是像我們想得那樣簡單，只要隨便的在網上找到相關資料直接就往上貼，東湊西湊的就出來了。課程設計是要我們在老師精心教導下，一步步的去做，去研究，利用在網上找到的資料去配合我們所學的知識，這樣才能做得更好。其次，課程設計讓我明白了所學的專業(yè)基礎知識的重要性，由于自己專業(yè)知識的不掌握，而導致在好多時候都不明白為什么。在設計的過程中，讓我學到了好多以前都沒去注意的知識，比如知道有